甲苯歧化加熱爐煙氣氧體積分?jǐn)?shù)復(fù)雜控制的設(shè)計(jì)

李俊杰(中國(guó)石化上海石油化工研究院 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)部，上海 201208)

甲苯歧化加熱爐煙氣氧體積分?jǐn)?shù)復(fù)雜控制的設(shè)計(jì)

李俊杰
(中國(guó)石化上海石油化工研究院 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)部，上海 201208)

加熱爐物料出口溫度控制是加熱爐的一項(xiàng)重要控制目標(biāo)，加熱爐使用的燃料介質(zhì)的不同決定了加熱爐燃燒控制方案的不同。傳統(tǒng)加熱爐燃燒系統(tǒng)的控制采用靜態(tài)“空燃比限位”的控制方式，對(duì)操作工的經(jīng)驗(yàn)要求非常高，加熱爐燃燒效率較差，既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。針對(duì)某甲苯歧化裝置加熱爐的控制原理進(jìn)行了探討，重點(diǎn)分析了引入爐膛煙氣氧體積分?jǐn)?shù)參數(shù)是如何將“空燃比限位”控制由靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，使?fàn)t膛煙氣氧體積分?jǐn)?shù)控制在穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗上，具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

煙氣 氧體積分?jǐn)?shù) 復(fù)雜控制 加熱爐

加熱爐的燃燒效果受到負(fù)荷、燃料、原料的反應(yīng)速度等多種因素的干擾，通常的控制方法難以保證加熱爐燃料的有效燃燒和控制。通過(guò)研究開(kāi)發(fā)煙氣氧體積分?jǐn)?shù)復(fù)雜控制，可以提高加熱爐在外界產(chǎn)生強(qiáng)干擾因素時(shí)加強(qiáng)對(duì)燃燒的控制能力，增加原料的反應(yīng)速度，從而達(dá)到燃料充分燃燒。

煙氣氧體積分?jǐn)?shù)復(fù)雜控制是以加熱爐物料出口溫度為主控變量，燃料和空氣量并列為被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。其中，在兩個(gè)并列的副環(huán)中各具有兩個(gè)邏輯選擇器，燃料量和空氣量之間形成一個(gè)相互的、動(dòng)態(tài)的約束控制，使該控制系統(tǒng)能夠保證空氣和燃料在最佳燃燒比值狀態(tài)下以及裝置負(fù)荷變化過(guò)程中，盡量維持空氣、燃料配比處于優(yōu)化控制范圍內(nèi)[1]。

1 甲苯歧化進(jìn)料加熱爐物料流程及熱負(fù)荷方案

歧化進(jìn)料加熱爐F-501的任務(wù)是把反應(yīng)器進(jìn)料最終加熱到規(guī)定的反應(yīng)溫度。該裝置的反應(yīng)器進(jìn)料通過(guò)F-501輻射段被加熱；F-501對(duì)流段用于對(duì)汽提塔的一部分重沸釜液進(jìn)行加熱。F-501選用輻射-對(duì)流型加熱爐，按輻射段熱負(fù)荷為5.95 MW進(jìn)行設(shè)計(jì)，輻射段和對(duì)流段合計(jì)熱負(fù)荷約為8.84 MW。輻射段加熱介質(zhì)為氫氣和芳烴，對(duì)流段加熱汽提塔釜芳烴液體，介質(zhì)分2路從對(duì)流段上部進(jìn)爐，經(jīng)對(duì)流加熱后從對(duì)流底部出爐。為了實(shí)現(xiàn)反應(yīng)溫度的平穩(wěn)，要求F-501采用燃料氣作為燃燒介質(zhì)，以保護(hù)催化劑以及保證后續(xù)單元的穩(wěn)定操作。鑒于歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器是1臺(tái)冷/熱兩側(cè)均出現(xiàn)相變的兩相流換熱器，其傳熱計(jì)算難度頗大，實(shí)際運(yùn)行狀況同設(shè)計(jì)值之間出現(xiàn)一定偏差是在所難免的。因此，根據(jù)規(guī)范要求[2]，該加熱爐的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷必須考慮反應(yīng)進(jìn)/出料換熱器可能出現(xiàn)負(fù)偏差的工況。一般情況下，按5%的負(fù)偏差考慮。由于進(jìn)出料換熱器的熱負(fù)荷很大，5%負(fù)偏差的熱負(fù)荷為2.969 MW，而F-501的正常輻射段熱負(fù)荷為2.989 MW，兩者相差不多。因此，在實(shí)際操作中，如果歧化反應(yīng)進(jìn)出料換熱器不出現(xiàn)偏差或出現(xiàn)正偏差時(shí)，加熱爐便處于“大材小用”的狀況。如果加熱爐的燒嘴數(shù)量較少，將使得燒嘴不能在其適宜負(fù)荷下運(yùn)行，從而燃燒效率不高；一旦關(guān)掉部分燒嘴，又會(huì)出現(xiàn)爐膛內(nèi)溫度分布不均勻的問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，在設(shè)計(jì)加熱爐時(shí)，其燒嘴數(shù)量宜多不宜少。該項(xiàng)目要求至少設(shè)置8個(gè)燒嘴，這樣即使處于60%額定熱負(fù)荷下運(yùn)行，也能達(dá)到較為滿意的燃燒效率和熱量均布效果。因此，為了避免裝置負(fù)荷變化造成爐子燃燒效率降低，該爐最終采用強(qiáng)制通風(fēng)加熱，通過(guò)交叉限位的控制方案，更好地控制空氣側(cè)進(jìn)料量，以便當(dāng)裝置負(fù)荷變化時(shí)，爐子仍能達(dá)到最佳燃燒效率和環(huán)保節(jié)能。

2 甲苯歧化進(jìn)料加熱爐典型控制方案設(shè)計(jì)

煙氣氧體積分?jǐn)?shù)控制的作用是使空氣和燃料的增加交叉進(jìn)行，即空氣流量增加后，再增加燃料量；反之，燃料量增大后，反過(guò)來(lái)增大空氣量，使得動(dòng)態(tài)過(guò)程中也能保持燃料量和空氣量的比值接近最佳燃燒比。甲苯歧化進(jìn)料加熱爐的控制流程如圖1所示。

作為芳烴聯(lián)合裝置的一部分，甲苯歧化進(jìn)料加熱爐會(huì)與其他單元的爐子共用一套余熱回收等節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)[3]，在此不再加以詳述。圖2是甲苯歧化進(jìn)料加熱爐交叉限制復(fù)雜控制系統(tǒng)圖?？?燃比模塊均設(shè)有手動(dòng)輸入功能。

2.1燃料氣控制器設(shè)計(jì)

燃料氣控制器主要由燃料氣控制、空/燃比運(yùn)算模塊組成。

眾所周知，燃料氣的品質(zhì)受自身壓力、溫度、密度及熱值等因素影響，因而在燃料氣測(cè)量中引入燃料氣密度在線測(cè)量，對(duì)燃料氣質(zhì)量流量計(jì)算的同時(shí)進(jìn)行同步溫/壓補(bǔ)償。而且在實(shí)際應(yīng)用中，工廠也會(huì)根據(jù)燃料氣品質(zhì)變化，對(duì)加熱爐的燃燒控制方案做相應(yīng)的調(diào)整。密度補(bǔ)償運(yùn)算在FY-5024計(jì)算模塊中完成。燃料氣質(zhì)量流量補(bǔ)償公式為

(1)

式中：qm1——補(bǔ)償后的燃料氣質(zhì)量流量；qm2——燃料氣實(shí)際測(cè)量質(zhì)量流量；ρ1——燃料氣實(shí)測(cè)密度值；ρ2——燃料氣設(shè)計(jì)密度值。

燃料氣的測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，被用來(lái)作為燃料氣控制器FIC-5024的測(cè)量值，工藝物料側(cè)出爐溫度TIC-5201的熱值換算出的燃料氣質(zhì)量流量,與經(jīng)空/燃比運(yùn)算模塊HY-5201A計(jì)算出實(shí)測(cè)空氣量FY-5201B下為保證燃料完全燃燒所需燃料氣的質(zhì)量流量,經(jīng)低選器TY-5011A輸出得到FIC-5024的設(shè)定值。FIC-5024的輸出值再與燃料氣壓力控制器PIC-5034經(jīng)高選器PY-5034輸出控制燃料氣調(diào)節(jié)閥PV-5034，從而形成對(duì)燃料氣的壓力超弛控制?？?燃比計(jì)算根據(jù)燃料組成的不同而有所變化，計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜。

2.2強(qiáng)制空氣控制器設(shè)計(jì)

強(qiáng)制空氣控制器主要包括： 流量溫度補(bǔ)償、空氣/氧體積分?jǐn)?shù)比率運(yùn)算模塊、空/燃比運(yùn)算模塊和空氣流量控制方案。

2.2.1溫度補(bǔ)償模塊

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程對(duì)空氣流量進(jìn)行溫度補(bǔ)償運(yùn)算。由于爐膛背壓始終保持穩(wěn)定，故對(duì)空氣只需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償即可，補(bǔ)償運(yùn)算在FY-5201A中完成，補(bǔ)償公式為

(2)

式中：T1——設(shè)計(jì)溫度；T2——實(shí)際測(cè)量溫度。

補(bǔ)償后的質(zhì)量流量信號(hào)送到FY-5201B空/氧體積分?jǐn)?shù)比率運(yùn)算模塊。

2.2.2空/氧體積分?jǐn)?shù)比率運(yùn)算模塊

該裝置爐膛煙氣氧分析儀的功能是為了更好地控制燃料的燃燒效果，使其盡可能充分燃燒，進(jìn)而達(dá)到環(huán)保節(jié)能的要求。燃料氣燃燒過(guò)程控制保證了空/燃比最佳，但并不代表燃料氣是完全燃燒的，燃料氣完全燃燒與其自身品質(zhì)、熱值等因素有關(guān)。爐子在不同負(fù)荷下，空/燃比值的最佳值也會(huì)不同，因而引入爐膛氧體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)，用以衡量燃燒過(guò)程是否完全燃燒。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于氣體燃料，爐膛煙氣氧體積分?jǐn)?shù)(也叫過(guò)?？諝饬?最佳控制范圍在4%～8%，筆者設(shè)定最佳控制點(diǎn)為6%，基本能夠保證燃料充分燃燒。

圖1 歧化進(jìn)料加熱爐控制示意

圖2 甲苯歧化進(jìn)料加熱爐爐膛煙氣氧含量復(fù)雜控制方案示意

爐膛氧體積分?jǐn)?shù)控制器AIC-5003設(shè)計(jì)成反作用控制器，輸出值MV為0～100%，對(duì)應(yīng)的空氣質(zhì)量流量比率值是1.2～0.8，MV值送給FY-5201B做運(yùn)算。AIC-5003的SP值設(shè)定為6%，PV值4%～8%依次線性對(duì)應(yīng)MV值的1.2～0.8。當(dāng)PV值等于6%時(shí)，MV值等于1。當(dāng)PV值小于4%時(shí)，MV值鎖定在1.2而不再變化，氧體積分?jǐn)?shù)低值報(bào)警。當(dāng)PV值大于8%時(shí)，MV值鎖定在0.8而不再變化，氧體積分?jǐn)?shù)高值報(bào)警。AIC-5003的MV經(jīng)驗(yàn)比值送至FY-5201B與來(lái)自FY-5201A的空氣流量值進(jìn)行簡(jiǎn)單的乘法運(yùn)算，可以得到最佳的空氣質(zhì)量流量。爐膛氧體積分?jǐn)?shù)越高，所需空氣質(zhì)量流量越低，反之亦然。該數(shù)值一方面作為PV值送給強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)管線空氣流量控制器FIC-5201，用于控制空氣調(diào)節(jié)閥FV-5201；另一方面送給空氣/燃料比運(yùn)算模塊HY-5201A，由空氣量計(jì)算出所需要的燃料氣質(zhì)量流量。

2.2.3空氣流量控制方案

空氣流量控制方案為PID調(diào)節(jié)回路，其PV值來(lái)自于FY-5201B的最佳空氣質(zhì)量流量數(shù)值；MV值用于控制空氣流量調(diào)節(jié)FV-5201；SP值來(lái)自于工藝側(cè)或燃料側(cè)高選后的總?cè)剂腺|(zhì)量流量換算成的所需空氣質(zhì)量流量值。

2.2.4空/燃比運(yùn)算模塊

空氣/燃料比率運(yùn)算塊HY-5201A與燃料側(cè)控制方案中的空氣/燃料比運(yùn)算塊HY-5201B類似，它將來(lái)自FY-5201B的空氣質(zhì)量流量值除以11.5(該理想空/燃比值可根據(jù)爐子運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，人工手動(dòng)輸入改變，使?fàn)t子在比較理想的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn))，即可換算得到空氣側(cè)所需要的總?cè)剂腺|(zhì)量流量。筆者對(duì)空/燃比運(yùn)算模塊采用理想狀態(tài)參數(shù)設(shè)定加人工后期手動(dòng)輸入調(diào)整，如果該模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)上下限位，防止?fàn)t子負(fù)荷增減時(shí)空/燃比變化過(guò)快、過(guò)大給爐子運(yùn)行造成不必要的波動(dòng)，這就是爐子燃燒控制中經(jīng)典的雙交叉限幅控制系統(tǒng)。

2.3工藝物料控制器設(shè)計(jì)

工藝側(cè)溫度控制器TIC-5011的MV值同時(shí)送給一高、一低2個(gè)選擇器。經(jīng)高選器，與燃料側(cè)控制方案運(yùn)算出的總?cè)剂腺|(zhì)量流量進(jìn)行選擇后，用于控制空氣側(cè)強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)的空氣質(zhì)量流量；經(jīng)低選器，與空氣側(cè)控制方案運(yùn)算出的空氣側(cè)所需總?cè)剂腺|(zhì)量流量進(jìn)行選擇后，用于控制燃料側(cè)總?cè)剂腺|(zhì)量流量。

以上對(duì)甲苯歧化進(jìn)料加熱爐的燃燒系統(tǒng)控制方案進(jìn)行了分析和闡述，煙氣氧體積分?jǐn)?shù)復(fù)雜控制系統(tǒng)是在爐子控制中邏輯提量和邏輯減量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上由定比值(空/氧比)變?yōu)樽儽戎?，比值由AIC-5003輸出，因而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)爐子燃燒控制起到一定的交叉限制，使燃燒過(guò)程達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒的控制目的?，F(xiàn)舉例說(shuō)明如下：

當(dāng)工藝物料負(fù)荷增加時(shí)，工藝物料側(cè)爐出口溫度降低，反作用溫度控制器TIC-5011的MV值(工藝側(cè)所需總?cè)剂腺|(zhì)量流量值)必然升高。此時(shí)，低選器TY-5011A一側(cè)的運(yùn)算暫時(shí)不會(huì)有變化；而高選器TY-5011B一側(cè)將選中TIC-5011的輸出值作為FIC-5201的SP值，該設(shè)定值也會(huì)隨之升高，F(xiàn)IC-5201的MV值將導(dǎo)致加熱爐強(qiáng)制進(jìn)風(fēng)空氣調(diào)節(jié)閥FV-5201開(kāi)大，進(jìn)入加熱爐爐膛的空氣流量隨之增加。隨著FT-5201流量的逐步增大，空氣側(cè)的空氣質(zhì)量流量所對(duì)應(yīng)的總?cè)剂腺|(zhì)量流量會(huì)相應(yīng)增大。此時(shí)低選器TY-5011A一側(cè)的運(yùn)算開(kāi)始發(fā)生變化，導(dǎo)致燃料側(cè)流量控制FIC-5024的SP值逐步升高，燃料氣管線調(diào)節(jié)閥PV-5034開(kāi)度增加，燃料氣流量隨之增大，并逐步到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)操作點(diǎn)。提負(fù)荷的過(guò)程是先提升空氣量再提升燃料量，所以當(dāng)工藝物料負(fù)荷降低時(shí)，該控制系統(tǒng)則先降燃料量后降空氣量，始終保持空氣量有一定的過(guò)剩，使燃燒過(guò)程合理充分。

3 結(jié)束語(yǔ)

煙氣氧體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)在歧化加熱爐上推廣應(yīng)用，目前運(yùn)行效果良好，對(duì)負(fù)荷變化的燃燒控制效果極為顯著。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的日益重視，石化行業(yè)加熱爐的煙氣排放成為控制大氣污染的重中之重。在該思想指導(dǎo)下，更先進(jìn)的爐子燃燒控制方案不斷提出，如雙交叉限幅控制、爐膛負(fù)壓控制等。現(xiàn)階段除了對(duì)爐子硬件設(shè)施加強(qiáng)技改，加熱爐自動(dòng)控制設(shè)計(jì)則成為現(xiàn)有爐子提高燃燒效率、節(jié)能降耗、減少不合格排放的重要手段。

[1]毛國(guó)平.擴(kuò)展雙交叉限位控制系統(tǒng)及其在硫磺裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2006，42(02):31-35.

[2]國(guó)家能源局.SY/T 0538—2012管式加熱爐規(guī)范[S].北京： 石油工業(yè)出版社,2012.

[3]趙霄.加熱爐交叉限制復(fù)雜控制方案設(shè)計(jì)探討[J].石油化工自動(dòng)化,2009,45(06):6-12.

[4]中國(guó)石化集團(tuán)北京設(shè)計(jì)院.SH/T 3092—1999石油化工企業(yè)分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)石化出版社，2000.

[5]中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程公司.SH/T 3104—2000石油化工儀表安裝設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)石化出版社,2001.

[6]呂亞妮，肖健，杜志強(qiáng).化工用加熱爐出口溫度控制和熱平衡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,38(04):454-456.

[7]彭愛(ài)輝，肖遠(yuǎn)軍.加熱爐過(guò)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用與研究[J].冶金自動(dòng)化,2010,31(03):337-340.

[8]侯國(guó)江.探究石油化工生產(chǎn)中加熱爐的節(jié)能環(huán)保措施[J].中國(guó)化工貿(mào)易,2012(08):258.

[9]牛瑞慶,裴冬冬.淺析加熱爐交叉限制復(fù)雜控制方案的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012(25):118.

[10]周桂鋒.交叉限幅控制在加熱爐中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2008(05):25-29.

DesignofComplexControlSchemeofFlueGasOxygenVolumeContentinDisproportionateFeedFurnace

Li Junjie

(SRIPT，Shanghai，201208，China)

The control of traditional furnace’s heating system adopts the control mode of static “air-fuel ratio limit”. It requires the operator to have rich experience. The combustion efficiency is low with poor economic and environmental performance. The control principle of toluene disproportionate device heating furnace is discussed, the analysis on how to change the control mode from static to dynamic in “air-fuel ratio limit” by introducing the parameter of oxygen content in flue gas (volume fraction) are emphasized, which provides realistic guidance in controlling oxygen content in furnace flue gas for stable production, saving energy and reducing consumption.

flue gas; oxygen volume content; complex control; heating furnace

稿件收到日期：2013-03-29，修改稿收到日期2013-06-25。

李俊杰(1975—)，男，重慶人，獲工程碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)石化上海石油化工研究院，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)05-0027-04